大型工作臺(tái)C 軸雙伺服直驅(qū)同步控制技術(shù)的應(yīng)用*

王偉順 運(yùn)同樹(shù)

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

筆者公司生產(chǎn)的高檔數(shù)控立式車銑復(fù)合加工中心，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到傳動(dòng)鏈的間隙就是誘發(fā)工作臺(tái)基礎(chǔ)精度變化的根源所在，因此必須消除傳動(dòng)鏈中的間隙。通常采用的消隙機(jī)構(gòu)都是在傳動(dòng)軸上設(shè)計(jì)可軸向移動(dòng)的軸輪組，并通過(guò)軸輪組的位移實(shí)現(xiàn)斜齒輪齒面的單向貼合，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的間隙消除，該種機(jī)構(gòu)調(diào)整起來(lái)比較繁瑣，且維護(hù)起來(lái)也不方便。而雙電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案又會(huì)使電機(jī)的成本成倍增加。為了贏得市場(chǎng)，就推出了一種便于操作，成本低廉的消隙結(jié)構(gòu)——C 軸雙伺服直驅(qū)同步控制技術(shù)的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)組成

該型工作臺(tái)(圖1)主要由主電機(jī)、減速器、傘齒輪、軸、斜齒輪、主軸及大齒圈組成，傘齒輪、軸、斜齒輪、主軸及大齒圈構(gòu)成2 套傳動(dòng)鏈，2 套減速器分別安裝在工作臺(tái)底座的后側(cè)并通過(guò)其軸端的傘齒輪與2 套傳動(dòng)鏈分別嚙合。主電機(jī)直接安裝在減速器的后側(cè)，是整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源。大齒圈通過(guò)螺釘與工作臺(tái)連接，并帶動(dòng)工作臺(tái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)鏈采用兩級(jí)變速，極大地簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)。尾部的傘齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得主電機(jī)能夠水平放置，從而避免其影響到工件的回轉(zhuǎn)范圍。主軸采用短主軸結(jié)構(gòu)，短主軸的回轉(zhuǎn)剛度高，設(shè)計(jì)時(shí)使主軸軸承更加靠近工作臺(tái)臺(tái)面，減小轉(zhuǎn)動(dòng)力臂，提高整個(gè)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度，2 套傳動(dòng)鏈中與大齒圈嚙合的小齒輪相對(duì)位置的夾角設(shè)計(jì)成整數(shù)，使2 個(gè)小齒輪與大齒圈的嚙合狀態(tài)相同，從而使其傳動(dòng)更加平穩(wěn)。

2 工作原理

2 臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)2 個(gè)初級(jí)傳動(dòng)鏈，電機(jī)與初級(jí)傳動(dòng)鏈為直接連軸，無(wú)傳動(dòng)間隙，由初級(jí)傳動(dòng)鏈至輸出傘齒輪再到一二級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙之和簡(jiǎn)化為如圖2的單級(jí)傳動(dòng)的間隙。消隙是在伺服運(yùn)行過(guò)程中采用對(duì)2 臺(tái)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，使各級(jí)齒輪始終保持單面貼合，從而精確地傳遞轉(zhuǎn)矩、速度或位移。在保證無(wú)間隙傳動(dòng)的同時(shí)，具有良好的伺服精度和快速響應(yīng)特性。

因?yàn)橄到y(tǒng)在單方向輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳遞方向不變，所以并不存在間隙問(wèn)題。只有在系統(tǒng)變換轉(zhuǎn)矩傳遞方向時(shí)，間隙問(wèn)題才凸顯出來(lái)。實(shí)際消隙控制是在系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出為零的區(qū)域附近對(duì)2 臺(tái)電機(jī)施加1 個(gè)足以克服間隙的轉(zhuǎn)矩偏置，使得這一轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)2 臺(tái)電機(jī)實(shí)施消隙驅(qū)動(dòng)，而越過(guò)這個(gè)區(qū)域后，2臺(tái)電機(jī)則協(xié)同出力。這樣，每臺(tái)電機(jī)功率可選為系統(tǒng)最大功率的一半。筆者設(shè)計(jì)制造的HDVTM160X10/8L -MC 車銑復(fù)合加工中心當(dāng)轉(zhuǎn)矩偏置數(shù)值為6 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的消隙。偏置數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 偏置數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)C 軸雙伺服直驅(qū)同步控制技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)論證，并設(shè)計(jì)了上述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)應(yīng)用到了國(guó)家重大專項(xiàng)(專項(xiàng)號(hào)2010ZX04001 -031)產(chǎn)品車銑復(fù)合加工中心HDVTM160 ×10/8L -MC 的工作臺(tái)上，使工件在一次裝卡后可完成高精度車削、銑削、鏜削等精加工工序，該型大型工作臺(tái)C 軸分度精度可達(dá)到4″，完全符合設(shè)計(jì)要求。

車銑復(fù)合加工中心HDVTM160 ×10/8L -MC 參加了2012 年北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)，并獲得了業(yè)內(nèi)人士的一致好評(píng)(圖3)。

4 結(jié)語(yǔ)

C 軸雙伺服直驅(qū)同步控制技術(shù)在車銑復(fù)合加工中心HDVTM160 ×10/8L -MC 上的成功應(yīng)用，說(shuō)明雙伺服直驅(qū)同步控制技術(shù)在機(jī)床上是具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，容易維護(hù)，成本低廉，便于制造的多重優(yōu)點(diǎn)，也是未來(lái)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。

［1］唐金松.簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3 版.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［2］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第四卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［4］於貽琛.精密機(jī)床［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1989.